数控机床主传动系统设计【全套CAD图纸+word说明书】
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中文文献 - 1 - 数控系统 数控系统是数字控制系统简称，英文名称为 期是由硬件电路构成的称为硬件数控（ C）， 1970 年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。 计算机数控（ 称 统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。 统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。 统由数控程序、输 入装置、输出装置、计算机数控装置（ 置）、可编程逻辑控制器（ 主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。 统的核心是 置。由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用 替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及进行远程通信的功能。 机床技术十四大发展趋势 1、机床的高速化 随着汽车、航空航天等工业轻合金材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发 展趋势。高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。高速加工不仅是设备本身，而是机床、刀具、刀柄、夹具和数控编程技术，以及人员素质的集成。高速化的最终目的是高效化，机床仅是实现高效的关键之一，绝非全部，生产效率和效益在 “ 刀尖 ” 上。 2、机床的精密化 按照加工精度，机床可分为普通机床、精密机床和超精机床，加工精度大约每 8 年提高一倍。数控机床的定位精度即将告别微米时代 而进入亚微米时代，超精密数控机床正在向纳米进军。在未来 10 年，精密化与高速化、智能化和微型化汇合而成新一代机床。机床的精密化不仅是汽车、电子、医疗器械等工业的迫切需求，还直接关系到航空航天、导弹卫星、新型武器等国防工业的现代化。 3、从工序复合到完整加工 70 年代出现的加工中心开多工序集成之先河，现已发展到完整加工，即在一台机床上完成复杂零件的全部加工工序。完整加工通过工艺过程集成，一次装卡就把一个零件加工过程全部完成。由于减少装卡次数，提高了加工精度，易于保证过程的高可靠性和实现零缺陷生产。此 外，完整加工缩短了加工过程链和辅助时间，减少了机床台数，简化了物料流，提高了生产设备的柔性，生产总占地面积小，使投资更加有效。 4、机床的信息化 机床信息化的典型案例是 机床配备有信息塔，实现了工作地的自主管理。信息塔具有语音、文本和视像等通讯功能。与生产计划调度系统联网，下载工作指令和加工程序。工件试切时，可在屏幕上观察加工过程。信息塔实时反映机床工作状态和加中文文献 - 2 - 工进度，并可以通过手机查询。信息塔同时进行工作地数据统计分析和刀具寿命管理，以及故障报警显示、在线帮助排除。机床操作 权限需经指纹确认。 5、机床的智能化 控和补偿 机床智能化包括在线测量、监控和补偿。数控机床的位置检测及其闭环控制就是简单的应用案例。为了进一步提高加工精度，机床的圆周运动精度和刀头点的空间位置，可以通过球杆仪和激光测量后，输入数控系统加以补偿。未来的数控机床将会配备各种微型传感器，以监控切削力、振动、热变形等所产生的误差，并自动加以补偿或调整机床工作状态，以提高机床的工作精度和稳定性。 6、机床的微型化 随着纳米技术和微机电系统的迅速进展，开发加工微型零件的机床已经提到日程 上来了。微型机床同时具有高速和精密的特点，最小的微型机床可以放在掌心之中，一个微型工厂可以放在手提箱中。操作者通过手柄和监视屏幕控制整个工厂的运作。 7、新的并联机构原理 传统机床是按笛卡尔坐标将沿 3 个坐标轴线的移动 X、 Y、 Z 和绕 3 个坐标轴线转动 A、B、 C 依次串联叠加，形成所需的刀具运动轨迹。并联运动机床是采用各种类型的杆机构在空间移转主轴部件，形成所需的刀具运动轨迹。并联运动机床具有结构简单紧凑、刚度高、动态性能好等一系列优点，应用前景广阔。 8、新的工艺过程 除了金属切削和锻压成 形外，新的加工工艺方法和过程层出不穷，机床的概念正在变化。激光加工领域日益扩大，除激光切割、激光焊接外，激光孔加工、激光三维加工、激光热处理、激光直接金属制造等应用日益广泛。电加工、超声波加工、叠层铣削、快速成型技术、三维打印技术各显神通。 9、新结构和新材料 机床高速化和精密化要求机床的结构简化和轻量化，以减少机床部件运动惯量对加工精度的负面影响，大幅度提高机床的动态性能。例如，借助有限元分析对机床构件进行拓扑优化，设计箱中箱结构，以及采用空心焊接结构或铅合金材料已经开始从实验室走向实用。 10、新的设计方法和手段 我国机床设计和开发手段要尽快从甩图板的二维 三维 渡。三维建模和仿真是现代设计的基础，是企业技术优势的源泉。在此三维设计基础上进行 集成，加快新产品的开发速度，保证新产品的顺利投产，并逐步实现产品生命周期管理。 11、直接驱动技术 在传统机床中，电动机和机床部件是借助耦合元件，如皮带、齿轮和联轴节等加以连接，实现部件所需的移动或旋转，机和电是分家的。直接驱动技术是将电动机与机械部件集成为一体，成为机电一体化的功能部件， 如直线电动机、电主轴、电滚珠丝杆和力矩电动机等。直接驱动技术简化了机床结构，提高了机床的刚度和动态性能，运动速度和加工精度。 中文文献 - 3 - 12、开放式数控系统 数控系统的开放是大势所趋。目前开放式数控系统有三种形式： 1）全开放系统，即基于微机的数控系统，以微机作为平台，采用实时操作系统，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电动机的运动。 2）嵌入系统，即 C， 制坐标轴电动机的运动， 为人机界面和网络通信。 3）融合系统，在 基础上增加 供键盘操作，提高人机界 面功能，如 13、可重组制造系统 随着产品更新换代速度的加快，专用机床的可重构性和制造系统的可重组性日益重要。通过数控加工单元和功能部件的模块化，可以对制造系统进行快速重组和配置，以适应变型产品的生产需要。机械、电气和电子、液和气、以及控制软件的接口规范化和标准化是实现可重组性的关键。 14、虚拟机床和虚拟制造 为了加快新机床的开发速度和质量，在设计阶段借助虚拟现实技术，可以在机床还没有制造出来以前，就能够评价机床设计的正确性和使用性能， 在早期发现设计过程的各种失误，减少损失，提高新机床开发的质量。 重点发展范围 、高速、精密数控车床，车削中心类及四轴以上联动的复合加工机床。主要满足航天、航空、仪器、仪表、电子信息和生物工程等产业的需要。 、高速、高精度数控铣镗床及高速、高精度立卧式加工中心。主要满足汽车发动机缸体缸盖及航天航空、高新技术等行业大型复杂结构支架、壳体、箱体、轻金属材料零件和精密零件加工需求。 、重型、超重型数控机床类：数控落地铣镗床、重型数控龙门镗铣床和龙门加工中心、重型数控卧式车床及立式车床，数控重型 滚齿机等，该类产品满足能源、航天航空、军工、舰船主机制造、重型机械制造、大型模具加工、汽轮机缸体等行业零件加工需求。 、数控磨床类：数控超精密磨床、高速高精度曲轴磨床和凸轮轴磨床、各类高精高速专用磨床等，满足精密超精密加工需求。 、数控电加工机床类：大型精密数控电火花成形机床、数控低速走丝电火花切割机床、精密小孔电加工机床等，主要满足大型和精密模具加工、精密零件加工、锥孔或异型孔加工及航天、航空等行业的特殊需求。 、数控金属成形机床类（锻压设备）：数控高速精密板材冲压设备、激光切割复合机、 数控强力旋压机等，主要满足汽车、摩托车、电子信息产业、家电等行业板金批量高效生产需求及汽车轮毂及军工行业各种薄壁、高强度、高精度回转型零件加工需求。 、数控专用机床及生产线：柔性加工自动生产线（ ）及各种专用数控机床，该类生产线是针对汽车、家电等行业加工缸体、缸盖、变速箱箱体等及多品种变批量壳体、箱体类零件加工需求。 毕业设计 (论文 )任务书 机械设计制造及其自动化专业 题目： 数控机床主传动系统设计 子题： 学生姓名： 班级： 指导教师 (签章 )： 职称（学位）： 讲师 所在教研室： 数控 技术教研室 教研室主任 ： 专业负责人 (签章 )： 下达日期： 完成日期： 课题名称 数控机床主传动系统设计 题目性质 真实 题目类型 设计 题目来源 生产 一课题简介 : 本 课题 设计来自平时对数控和机械设计知识方面了解。本课题主要是进行数控机床主传动系统的设计及尾架设计。 的方案。 结果表现形式为全部设计图纸及设计说明书。其中说明书及 50%以上的图纸必须形成文档。 二报告内容 : （调研资料的准备，论文或设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成论文或设计所具备的条件因素等。） 任务、内容及要求 （包括设计计算、实验分析、绘图质量各类图纸张数、外文翻译及撰写外文摘要等） 设计条件与原始数据： 1 现代数控机床主传动设计参考资料若干 2 往届卧式车床主轴箱设计 1套 3 设计手册若干套 主要设计内容： 1设计说明书 1份 2工作图： 1）主传动系统总装图 1张 ）尾架设计图 1张 ）转速图 1张 ）传动系统图 1张 ）联轴器 图 ）齿轮零件 图 求： 1 绘图量：折成 张其中 50%以上的图纸形成文档。 2 设计计算及说明书字数不少于 10000字，并形成电子文档。 3 完成 3000字以上的外文参考文献翻译，完成 1500字以上的文献综述撰写等工作。 指导教师签名： 年 月 日 外文文献 1 NC is to as by as C (C), 1970s, as to of on in of or of a NC NC as is of NC of to LC to is of 4 1） an in in as a as as of is C as as of of is of to of of of 2） of In be to NC is to to of NC is to In 0 a of of is a as of to as of 3) to 外文文献 2 0 to of to is a to of a By of to to In a to of to to of of so 4) is a is on of to be on of to of of of by at to to 5) is a of To of be to be a NC of to by of to be or in to of 6) of of in of of At of be on a be in to of 7) a of is , Y, Z of , B, C by to a is of of of of in a as a of of a 外文文献 3 8) In to of of is of in to 9) in to of of of a on a in of of of of or to 10) s as as of AD to of is of is a of In of to of of 11) In as to to or of is be an as to 12) NC is a 1) on to as a of of to 2) PC as a 3) in NC on C to 13)of be of of C 外文文献 4 of be to to as as of is to to 14) In to up of at we of of in of in to of of on of 1） NC of to 2） NC to as of 3） NC NC so 4） NC of so to of 5） DM DM DM to or 6） NC as a of to 7） NC a of NC 文文献 5 工作总结 工作总结 本文完成了 对 数控机床主传动系统设计 ， 本课题主要设计经济型数控机床的主轴传动系统，考虑到电机的恒功率转速范围与主轴要求的恒功率转速范围不匹配问题，在电机与主轴间增加了一根中间传动轴。机械有级变速系统舍弃液压变速，而采用电磁离合器变速，有利于实现自动操作。 由于数控机床的故障更多发生在电气系统，所以本课题采用了西门子公司专门为经济型数控机床开发的性价比较高的 02D 微机控制系统，以提高数控车床的可靠性。 但是，由于齿轮传动噪声很大，精确度不够高，并且使主轴箱重量和体积偏大，而在 本次设计中有级变速基本采用齿轮传动。因此本课题的设计方案还有进一步改进的空间。随着无级变速电机的性能进一步提高及其价格的下降，中档以上的数控机床已经逐渐舍弃机械有级变速系统，而是直接由电机通过皮带将动力传给主轴，这样数控机床的主轴系统进一步简化，速度进一步提高。特别是电主轴的应用，真正将数控机床带入了超高速时代 本课题“ 数控机床主传动系统设计 ”是在导师 李刚 老师的悉心指导和关怀下完成的。 李 老师在论文的选题、内容、科研过程和论文撰写方面给予了作者耐心的指导，而且提出了许多建设性的意见和建议，使我对课题的难点豁然 开朗。导师在言传身教中体现出来的渊博的学识，严谨的治学态度，开阔的知识眼界和平易近人的态度给我留下了深刻的印象。 在此，作者谨向三个多月来付出了辛劳汗水和心血的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 其次，感谢学院领导以及班主任老师等，他们在整个论文工作期间都给予了很多关心和帮助，也正因为他们的帮助，作者才能顺利的完成了整个毕业论文。再次要感谢图书馆的所有工作人员，他们热情的工作为我的论文资料查阅提供了极大的便利条件。 最后感谢我的同学以及朋友在我的整个毕业论文中所给与的帮助和支持，他们在整个论文工作期间都与 本人进行过有益的交流，提出了很多的建议和想法，使作者受益非浅。以及我的家人在我紧张、繁忙的论文工作期间在精神和生活上所给予的最大的理解和支持。 在论文完稿之际，作者真诚的对关心、帮助、支持过作者的 李刚 老师 ,学院的所有领导、老师、同学以及亲人表示最衷心的感谢，谢谢你们！ 工作计划 毕业设计是在学生完成全部理论教学和实践教学后所进行的一次综合训练， 是整个教学过程中最后一个主要的实践教学环节， 目的大使学生综合运用所学的基础理论，专业知识和基本技能，进行工程设计忽然科学研究等工程师的基本训练，进一步培养学生的科学态度，独立分析和解决问题的能力以及创新的精神。 因此，我为这次毕业设计制定了一个详细周密的工作计划。 本次毕业设计 完成需 1215 周。预期结果为机床 主传动系统总装图、尾架结构图 、 齿轮零件图 及 传动系统图和转速图 等。结果表现形式为全部设计图纸及设计说明书。 1 基本 要求 （ 1）中英文文献及文献综述各一份 （ 2）阅读有关材料 24 篇 （ 3）外文资料翻译 3000 字以上 （ 4）设计说明书 10000 字以上 （ 5）折成 图纸 4 张，其中 50%以上图纸形成电子文档 2 设计任务 (1)齿轮尺寸参数计算 (2)主传动系统总装图 (3)齿轮零件图 (4)转速图 (5)传动系统图 (6)联轴器 图 (7)尾架设计图 (8)轴的相关计算 3 工作计划 （ 1） 第 1 2 周 实习调研、检阅资料 （ 2） 第 3 4 周 方案确定、开题报告 （ 3） 第 5 8 周 设计数控系统总体方案 （ 4） 第 8 13周 设计数控化改造基本硬件电路 （ 5） 第 14 周 撰写说明书（论文） （ 6） 第 15 周 上交设计（论文） 大连水产学院毕业设计 (论文 )开题报告表 课题名称 数控机床 主 传动系统设计 题目性质 真实 题目类型 设计 题目来源 生产 学生姓名 王振华 专 业 机械设计制造及其自动化 导 师 李刚 一课题简介 1本 课题 设计来自平时对数控和机械设计知识方面了解 。 本课题主要是进行数控机床主传动系统的设计 。 2完成该课题需 1215 周。 预 期结果为机床 主传动系统总装图 、 尾架结构图 等。结果表现形式为全部设计图纸 及设计说明书。其中说明书及 50以上的图纸 必须 形 成电子文档。 二报告内容： （调研资料的 准备，论文或设计目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成论文或设计所具备的条件因素等。） 具体任务、内容及要求 （包括设计计算、实验分析、绘图质量各类图纸张数、外文翻译及撰写外文摘要等） 设计条件与原始数据： 1 现代数控机床 主传动设计参考资料 若干 2 往届卧式车床主轴箱设计 1 套 3 设计手册若干套 主要设计内容： 1设计说明书 1 份 2工作图： 1） 主传动系统总装图 1 张 ） 尾架 设计 图 1 张 ）转速图 1 张 ）传动系统图 1 张 ） 联轴器 图 ） 齿轮零件图 求 ： 1 绘图量：折成 图纸 4 张其中 50%以上的图纸形成电子文档。 2 设计计算及说明书字数不少于 10000 字，并形成电子文档。 3 完成 3000 字以上的外文参考文献翻译，完成 1500 字以上的文献综述撰写等工作。 任务完成的阶段内容及时间安排： 实习调研、检阅资料 第 1 3 周 上机运算（绘图） 第 10 13 周 方案确定、开题报告 第 4 5 周 撰写说明书（论文） 第 14 周 设计计算（实验） 第 6 10 周 上交设计（论文） 第 15 周 指 导教师签名： 年 月 日 教务处制表 毕业设计（论文）教师选题报告表 课题名称 数控机床主传动系统设计 课题性质 真实 课题类型 设计 课题来源 生产 指导教师姓名 年 龄 职称（学位） 讲师 所在单位 数控教研室 从事专业 机械 联系电话 课题简介：（主要内容、目前研究现状、意义、需要条件、时间安排、预期成果及表现形式。） 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能 技术和最基本的装备。 随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。本课题主要研究的是数控机床的主体机构。并将研究重点放在以下两个方面： 1）由于采用了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短。 2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小。 本 课题 设计来自平时对数控和机械设计知识方面了解。本课题主要是进行数控机床主传动系统的设计及尾架设计。 结果表现形式为全部设计图纸及设计说明书。其中说明书及 50%以上的图纸必须形成文档。 设计共计安排 15 周时间： 第 13 周， 实习调研、检阅资料 ； 第 45 方案确定、开题报告 ；第 610 周， 设计计算（实验） ；第 1013 周， 上机运算（绘图） ；第 14 周 撰写说明书（论文） ；第 15 周， 上交设计（论文） 。 指导教师签名： 教研室意见： 日期： 院（系 ） 毕业论文（设计 ） 领导小组意见： 组长签字： 日期： 教务处制表 毕业设计 数控机床主传动系统设计 学 生 姓 名： 指导教 师 ： 合 作 指 导 教 师 ： 专业名 称 ： 机械设计制造及其自动化 所在学 院 ： I 目 录 摘 要 . I . 一章 前言 . 1 控机床的发展概况 . 1 控机床的发展方向 . 1 控机床的主传动系统 . 1 第二章 主传动系统的运动设 计 . 2 运动系统驱动电机的选择 . 2 定转速图 . 5 拟定传动方案 . 6 第三章轴的结构设计 . 8 3 1轴的结构设计及齿轮尺寸参数 . 8 磁摩擦离合器的计算和选择 . 16 承的选择 . 21 第四章 主轴结构设计 . 22 轴组件的性能要求 . 22 编 码器的选择与安装 . 24 轴器的选择及带轮参数 . 25 第五章尾架的设计 . 27 架的结构设计 . 27 架的工作原理 . 27 结束语 . 28 致 谢 . 29 参 考 文 献 . 30 摘要 I 摘 要 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。 随着数控技术的发展，考虑到它的控制方式和使用特点，才对机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。 本课题主要研究的是 数控机床的主体机构 。并将研究重点放在 以下 两个方面 ： 1）由于采用 了高性能的无级变速主轴及伺服传动系统，数控机床的极限传动结构大为简化，传动链也大大缩短。 2）为适应连续的自动化加工和提高加工生产率，数控机床机械结构具有较高的静、动态刚度和阻尼精度，以及较高的耐磨性，而且热变形小。 关键词： 数控机床，主轴，无级变速 I he of of o as . of of of is of on 1) of of is is 2) of of 言 1 第一章 前言 数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力 。 近年来，党中央、国务院高度重视包括数控机床在内的装备制造业发展，相继出台的一系列政策措施，进一步确立了数控机床产业的战略地位，为行业发展创造了有利条件。我国机床行业经过几十年的发展，形成了具有一定生产规模和技术水平的产业体系，具备了快速提升的基础，尤其是 “ 十五 ” 以来，面对持续高涨的国内市场需求和良好的政策环境，我国机床行业发展迅速，在质和量上都取得了飞跃。我 国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。初步形成了数控产业基地。 数控机床产业的发展，需要自身装备水平的提升。 另外， “ 十五 ” 期间技术改造的不断投入，极大地提高了机床行业的自身装备水平。齐一、齐二、沈阳机床、大连机床等主机企业，在国家的支持下已投入了一批技术改造项目，哈量、哈一工、华中数控、南京工艺等数控机床配套基础制造企业也提升了自身装备水平，北京 第 一机床、武汉重型机床等通过搬迁改造也将很快奠定快速发展的 基础。 控机床的发展方向 1) 高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。 2) 多功能化。配有自动换刀机构（刀库容量可达把以上）的各类加工中心，能在同一台机床上同时实现铣削、镗削、钻削、车削、铰孔、扩孔、攻螺纹等多种工序加工，现代数控机床还采用了多主轴、多面体切削，即同时对一个零件的不同部位进行不同方式的切削加工。数控系统由于采用了多结构和分级中断控制方式，即可在一台机床上同时进行零件加工和程序编制，实现所谓的“前台加工，后台编辑”。 3) 机床的智能化。加工设备不仅提供 “ 体力 ” ，也有 “ 头脑 ” ，能够在线监测工况、独立自主地管理自己，并与企业的生产管理系统通信。 4) 数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势 5）可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。 6）控制系统小型化。数控系统小型化便于将机、电装置结合为一体。 控机床的主传动系统 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速 (速度 )和一定的变速范围，以便采用不同材 料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。 第二章 主传动系统的运动设计 2 第二章 主传动系统的运动设计 运动系统驱动电机的选择 择电机应综合考虑的问题 (1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反 转、调速等要求，选择电动机类型。 (2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 (3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。 (4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。 (5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的 复杂程度，选择电动机额定转速。 此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素 11。 动机类型和结构型式的选择 由于不同的机床要求不同的主轴输出性能 (旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等 )，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷 9。表 1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。 表 想主轴驱动系统性能 项目 内容 高性能 低速区要有足够的转矩 宽恒功 率范围 ,并在高速范围内保持一定转矩 高旋转精度 高动态响应 高加减速 ,起制动能力 具有强鲁棒性 ,能适应环境条件和参数变化 高效率 ,低噪声 低价格 低购买价格 ,低维护价格 ,低服务价格 通用要求 耐用性 ,可维护性 ,安全可靠性 第二章 主传动系统的运动设计 3 感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个 上百 泛地应用于各种数控机床上。 经过对比分析本设计中决定采用 系列交流主轴电机。 系列是高速、高精、高效的伺服系统，可实现机床的高速、高精控制，并使机床更紧凑。 动机容量的选择 选择电动机容量就是合理确定电动机的额定功率。决定电动机功率时要考虑电动机的发热、过载能力和起动能力三方面因素，但一般情况下电动机容量主要由运行发热条件而定。电动机发热与其工作情况有关。但对于载荷不变或变化不大，且在常温下连续运转的电动机（如本课题中的电动机），只要其所需输出功率不超过其额定功率，工作时就不会过热，可不进行发热计算 9，本设计中电机容量按以下步骤确定： （ 1）确定主轴切削力 (如无 特殊说明，该小节计算方法均出自资料 7) 确定主轴材料为 45号钢，淬硬处理（淬火及低温回火），硬度为 44位切削力为2270 / ( s mm r ). 切削用量范围： 9 0 1 0 5 / m i 1 0 . 5 /m ms m m s主切削力 P z P z V P z P z r P z n P z C t S K K K K K 料(取 1 6 7 , 1 . 0 , 0 . 7 51 . 0 9 , 1 . 0 81 . 3 , 1 . 0 5 , 0 . 9F z F z F z n F z V F K 料 t 取 5进给量取 mm r 。 切削功率： 1 0 2 6 0 6 1 2 01 0 5 / m i n ,4 8 9 . 5 1 0 58 . 3 9 76120F z v F z w切 削切 削切 削 速 度 （ 2）确定电机输出动率 Pd 切 削传 动装置的总效率 1 2 1 3 (其中，1圆柱直齿轮传动效率，由资料 12，表 2 4查得3 第二章 主传动系统的运动设计 4 2 轴轴承效率，由资料 12，表 2 4查得 2 3 轴（主轴）轴承效率，由资料 7，表 2 4查得 4 由此， 故， 8 . 3 9 7 9 . 1 0 70 . 9 2 2 w（ 3）选择电动机额定功率动机功率应留有余量，负荷率一般取 以电动机额定功率选取为11 （ 4）电动机电压和转速的选择 由资料 10,表 22 1 9，小功率电动机一般选为 380以本电机的电压可选为 380V。 同一类型、功率相同的电动机具有多种转速。一般而言，转 速高的电动机，其尺寸和重量小，价格较低，但会使传动装置的总传动比、结构尺寸和重量增加。选用转速低的电动机则情况相反。要综合考虑电机性能、价格、车床性能要求等因素来选择。 10 本课题中数控机床的主轴的转速范围要求为 3 5 / m i n 4 0 0 0 / m i 。由于只有一根中间 传动轴，传动链较短，因此变速级数较少，故对电动机恒功率变速范围以及整个变速范围要求较高。 ， ，3 18/ 7i 。所以两条传动链中，高速传动链传动比12i = i i = 2 / 1 9 / 1 6 = 9 / 8，低速传动链传动比13i = i i = 2 / 1 1 8 / 7 = 3 6 / 7。由此可得电机的转速范围 : m a x m i n n 4 0 0 0 9 / 8 = 4 5 0 0 r / m i n , n 3 5 3 6 / 7 = 1 8 0 r / m i n （ 5）确定电机的型号 由前面信息，可选取 号为 12 / 6000。这种电机转动非常平稳，采用160,000,000/ 通过线圈切换可实现电机的高速、高加速控制 ， 作为 系列的后续产品，具有更先进的节能效果 。电机参数如下表所示： 表 机参数 机座长为 465电机轴径为 48轴伸为 110中心高 132其余安装尺寸及其外形由 资料 8得 8。 型号 额定功率 连续 30率 最低转速 最高转速 重量 振动 冷却 12/6000c i 11151500 / 4500 / 955V 56主传动系统的运动设计 5 计算各轴计算转速、功率和转矩 1、各轴计算转速（本小节公式除非特别说明，均出自资料 12） 首先估算主轴的计算转速，由于采用的是无级调速，所以采用以下的公式： 0 . 3 0 . 3m a i ) 3 5 ( ) 1 4 5 / m i ； (然后通过传动比计算传动轴和电机轴的计算转速， 2 3 3 1 4 5 1 8 / 7 3 7 2 . 9 / m i n 3 7 3 / m i nn n i r r 1 2 1 3 7 3 2 7 4 6 / m i nn n i r 上式中 i 、 1i、 i 的意义如前所述。 2、各轴输入功率 IP=112 1 1 0 . 9 8 0 . 9 8 1 0 . 6 (41 2 1 4 1 1 0 . 9 8 1 0 . 2 w 上式中，1、2、3的意义如前所述。 3、各轴输入转矩 1 9 5 5 0 1 1 / 7 4 6 1 4 0 . 8 2T N m 2 9 5 5 0 1 0 . 6 / 3 7 3 2 7 1 . 3 9T N m 3 9 5 5 0 1 0 . 2 / 1 4 5 6 7 1 . 7 9T N m 将以上计算结果整理后列于表 以后计算选择，供以后计算使用： 表 轴的传动参数 参数 轴 I 轴（电机轴） （中间传动轴） （主轴） 计算转速（ 746 373 145 输入功率（ 11 矩（ ） 传动比 1 2/1i 2 9/16i ，3 18/ 7i 定转速图 由电机的转速范围 (包括恒功率变速范围 )和各轴传动比 ,作数控车床的转速图 ,见图 2第二章 主传动系统的运动设计 6 图 速图 拟定传动方案 数控机床需要自动换刀、自动变速；且在切削不同直径的阶梯轴，曲线螺旋面和端面时，需要切削直径的变化 ,主轴必须通过自动变速，以维持 切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择理想的切削速度，这样有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，数控机床一般采用由直流或交流调速电动机作为驱动源的电气无级变速。由于数控机床的主运动的调速范围较大（ 100 200R ），单靠调速电机无法满足这么大的调速范围，另一方面调速电机的功率扭矩特性也难于直接与机床的功率和转矩要求相匹配。因此，数控机床主传动变速系统常常在无级变速电机之后串联机械有级变速传动，以 满足机床要求的调速范围和转矩特性。 为简化主轴箱结构，本方案仅采用二级机械变速机构，运动方案如图 有级变速的自动变换方法一般有液压和电磁离合器两种。 液压变速机构是通过液压缸、活塞杆带动拨叉推动滑移齿轮移动来实现变速，双联滑移齿轮用一个液压缸，而三联滑移齿轮则必须使用两个液压缸（差动油缸）实现三位移动。液压拨叉变速是一种有效的方法，工作平稳，易实现自动化。但变速时必须主轴停车后才能进行，另外，它增加了数控机床的复杂性，而且必须将数控装置送来的电信号转换成电磁阀的机械动作，然后再将压力油分配到相应的 液压缸，因而增加了变速的中间环节，带来了更多的不可靠因素。 第二章 主传动系统的运动设计 7 图 轴传动图 电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操作元件。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，操作方便。通过若干个安装在各传动轴上的离合器的吸合和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。电磁离合器一般分为摩擦片式和牙嵌式 6。 本方案决定采用牙嵌式离合器。 动图 初定数控车床的传动图 ,如图 1图 动图 8 第三章轴的结构设计 3 1 轴的结构设计及齿轮尺寸参数 3 轴结构设计及齿轮尺寸参数 （如无特殊说明，本小节公式均出自资料 14） 。一端用凸台定位 ,另一端用紧定螺钉定位。 精度等级 ,材料及齿数 . 根据选定的传动方案 ,选用直齿圆柱齿轮传动 . （ 1）本次设计属于金属切削机床类 ,一般齿轮传动 ,故选用 6级精度 . （ 2）材料选择 00质 ),硬度为 280齿轮材料为 45钢 (调质 )硬度为 240 者材料硬度差为 40（ 3）选小齿轮齿数1 35,z 大齿轮齿数2 2 3 5 7 0z 由设计计算公式 (10行试算 ,即 2131 12 . 3 2 ( )t (1） 确定公式内的各计算数值 （ 1）试选载荷系数 3.12）计算小齿轮传递的转矩 由上文可知为 （ 3）由表 10.0d（ 4）由表 10 （ 5）由图 106001 大齿轮的接触疲劳强度极限 502 ; （ 6）由式 10算应力循环次数 9119926 0 6 0 7 4 6 1 5 0 0 0 0 2 . 2 4 1 02 . 2 4 1 0 / 2 1 . 1 2 1 0hN n j (（ 7）由图 10得接触疲劳寿命系数120 . 9 0 ; 0 . 9 5H N H （ 8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式（ 10 9 1 l i m 112 l i m 22 0 . 9 0 6 0 0 5 4 0 0 . 9 5 5 5 0 5 2 8H N P a M P P a M P (2）计算 （ 1）小齿轮分度圆直径1入 H中较小的值 5221 33 1 1 . 3 1 . 4 0 8 1 0 2 1 1 8 9 . 81 2 . 3 2 ( ) 2 . 3 2 ( ) 0 . 5 2 5 2 89 6 . 0 4 7t ud t m (（ 2）计算圆周速度 v 11 3 . 1 4 9 6 . 0 4 7 7 4 6 3 . 7 5 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s (（ 3）计算齿宽 b 1 0 . 5 9 6 . 0 4 7 4 8 . 0 2 4d m m (（ 4）计算齿宽与齿高之比 /数 11/ 9 6 . 0 4 7 / 3 5 2 . 7 4 4d z m m m m (齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 2 . 7 4 4 6 . 1 7 5th m m m ( (（ 5） 计算载荷系数 根据 v m s ， 6级精度，由图 10； 直齿轮，假设 / 1 0 0 / b N m m。由表 10 ； 由表 10； 由表 10级精度，小齿轮悬臂支承时， 2 2 31 . 1 1 0 . 1 8 ( 1 6 . 7 ) 0 . 1 5 1 0H d (将数据代入得 2 2 31 . 1 1 0 . 1 8 ( 1 6 . 7 0 . 5 ) 0 . 5 0 . 1 5 1 0 4 4 . 0 0 1 1 . 2 3 7 ； (由 / 7 . 7 8 , 1 . 2 3 7Hb h K ，查图 10 ；故载荷系数 1 . 2 5 1 . 0 7 1 . 2 1 . 2 3 7 1 . 9 8 5A V H K K K (（ 6） 按实际的载荷系数校正所得的分度 圆直径，由式（ 10 3311 / 9 6 . 0 4 7 1 . 9 8 5 / 1 . 3 1 1 0 . 6 0d K K m m (（ 7） 计算模数 m 10 11/ 1 1 0 . 6 0 / 3 5 3 . 1 6m d z m m (由式（ 10弯曲强度的设计公式为 13 212 ()F a S (1）确定公式内的各计算数值 （ 1）由图 10 5 0 0F E M P a ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限 2 3 8 0F E M P a ； （ 2）由图 10得弯曲疲劳寿命系数1 ，2 ； （ 3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S= 式（ 10 111 0 . 8 2 5 0 0 2 9 2 . 8 61 . 4F N F M P (（ 4）计算载荷系数 K 1 . 2 5 1 . 0 7 1 . 2 1 . 1 8 1 . 8 9 4A V F K K K (（ 5） 查取齿形系数 由表 10；2 。 （ 6） 查取应力校正系数 由表 10；2 。 （ 7） 计算大小齿轮的加以比较 1112 . 4 5 1 . 6 5 0 . 0 1 3 8 0 2 9 2 . 8 6F a S (2222 . 2 4 1 . 7 5 0 . 0 1 6 9 9 2 3 0 . 7 1F a S 大齿轮的数值大。 2）设计计算 11 53 22 1 . 8 9 4 1 . 4 0 8 1 0 0 . 0 1 6 9 9 2 . 4 60 . 5 3 5m m m m m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲疲劳强度算得的模数 ，按接触强度算得的分度圆直径1 1 1 0 d m m，算出小齿轮齿数 1 1 1 0 . 6 0 / 2 . 5 4 4z 大齿轮齿数21 2 4 4 8 8z u z 这样设计出的齿轮传动，即满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 1）计算分度圆直径 11 4 4 2 . 5 1 1 0d z m m m m m 22 8 8 2 . 5 2 2 0d z m m m m m 2）计算中心距 12( ) / 2 ( 1 1 0 2 2 0 ) / 2 1 6 5a d d m m 3）计算齿轮宽度 1 0 . 5 1 1 0 5 5db d m m 取215 5 , 6 0B m m B m m。 5112 2 1 . 4 0 7 1 0 2558110 1 . 2 5 2 5 5 8 / 5 8 . 1 4 / 1 0 0 /55 m m N m m N m ，合适。 I 轴结构设计 （如无特殊说明，本小节公式均出自资料 14） 该轴不受或只受极小的轴向力，而右端所受径向力矩明显高于左端，故左端选用深沟球轴承，而右端选用一对角接触球轴承背靠背安装，如图所示： 图 间轴的支承形式 12 滚子轴承的左端靠在端盖上，右端用轴肩定位。与电机轴上齿轮相啮合的齿轮左端用圆螺母固定 ,右端用轴肩定位 互紧靠，两齿轮的另两端用螺钉锁紧挡圈定位。轴右端的轴承左边利用轴肩定位，右端用一摔油盘（有套筒的作用）和圆螺母进行定位。 （ 1）轴的选材和最小直径轴的材料选择为： 45 号钢（调质处理）。 轴的最小尺寸，由式（ 15 2）， 3m 中，05 3，可取得 110，故 3m i n 1 0 . 61 1 0 3 3 . 6373d m m 取35于以不用再按弯扭合成强度条件计算和进行疲劳强度校合。 轴的零件图如图 2图 间轴零件图 （ 2）齿轮的设计 齿轮 1和 2的直径相差较大，对齿轮 1（小齿轮）在模数和选材及 热处理方面要求较高，所以首先进行该对齿轮的设计。 选齿数 本数控机床的运行速度较高，精度等级选择 6级精度； 由表 10 1，小齿轮材料选择为 40质后表面淬火，硬度为 280齿轮材料选择为 45 钢，调制后表面淬火，硬度为 240 小齿轮齿数初选为1z 24，2z 1z 3i 2 4 1 8 / 7 6 2 按式（ 10 9a ）试算， 13 2131 12 . 3 2 ( )t 确定公式内的各计算值： 初选载荷系数 计算小齿轮传递的转矩 由前文可知小齿轮传递的转矩为 由表 10 7及其说明，可选定齿宽系数d 由表 10 6，查得材料的弹性影响系数； 由图 10 21d，按齿面接触硬度查得小齿轮的接触疲劳强度 650齿轮的接触疲劳强度 600 两齿轮的设计寿命为 50000h，由式 10 13，计算应力循环次数 9116 0 6 0 3 7 3 1 5 0 0 0 0 1 . 1 1 9 1 0nN n j L 9821 / 1 . 1 1 9 1 0 7 / 1 8 4 . 3 5 2 1 0N N i 由图 10 19查得接触疲劳寿命系数1 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1%,安全系数 s 1。由式（ 10 12）， 1H= 1 =650/1 585 2H= 2 =600/1=570 将以上参数代入公式进行计算 试算小齿轮分度圆直径 入 较小的值 3 231 1 . 6 2 7 1 . 3 9 1 0 1 8 / 7 1 1 8 9 . 92 . 3 2 ( ) 1 2 7 . 8 50 . 4 1 8 / 7 5 7 0td m m 计算圆周速度 v 1143 . 1 4 1 2 7 . 8 5 3 7 3 / 2 . 5 0 /6 0 1 0 0 0 6 1 0m s m s 计算齿宽 1 0 . 4 1 2 7 . 8 5 5 1 . 1 4d m m m m 计算 齿宽与齿高之比 齿轮模数11/ 1 2 7 . 8 5 / 2 4 5 . 3 2 7d z m m m m 齿高 2 . 2 5 2 . 2 5 5 . 3 2 7 1 1 . 9 8 6th m m m m m 14 / 5 1 . 1 4 / 1 1 . 9 8 6 4 . 2 7 计算载荷系数 K 由图 10 8，查得动载系数 ； 由表 10 3，查得 1 ; 由表 10 2，查得使用系数 小齿轮精度为 6级，相对支撑作对称分布。由表 10 4， 23 1 1 0 . 1 8 0 . 1 5 1 0 b 31 . 1 1 0 . 1 8 0 . 1 5 1 0 5 1 . 1 4 1 . 1 5 22（ 1 + 0 . 6 0 . 4 ） b/h K=图 10 13，得 故，动载系数 1 . 2 5 1 . 0 6 1 . 2 1 . 1 5 1 . 8 2 9A V H K K K 按实际得载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（ 10 10a）得 3311 / 1 2 7 . 8 5 1 . 8 2 9 / 1 . 6 1 3 3 . 6 8d K K m m 计算模数 11/ 1 3 3 . 6 8 / 2 4 5 . 5 7m d z 由式（ 10 5）得弯曲疲劳的设计公式为 13 212 ()F a S 以下确定式中各参数的值： 由图 10 20的弯曲疲劳强度极限1 520齿轮的弯曲疲劳强度极限2 440 由图 10 18查得弯曲疲劳寿命系数1 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 式（ 10 12）得 1F11 520/328F22 440/ 计算载荷系数 K 1 . 2 5 1 . 0 6 1 . 2 1 . 1 2 1 . 7 8 1A V F K K K 查取齿形系数 由表 10 6 5 ; 2 . 2 8F a F 。 查取应力校正系数 15 由表 10 5,查得1 ；2 。 计算大、小齿轮的加以比较 1112 . 6 5 1 . 5 8 0 . 0 1 2 7 7 3 2 8F a S 2222 . 2 8 1 . 7 3 0 . 0 1 3 4 0 2 9 4 . 4 6F a S 大齿轮数值大，将用于以下计算。 将以上参数代入式（ 10 5）进行计算 53 22 1 . 7 8 1 2 . 7 1 4 1 0 0 . 0 1 3 4 0 3 . 80 . 4 2 4m m m m m 对比计算结果，由
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